由MRS會議談國際新材料發(fā)展方向

朱宏康，賈豫冬，王 方

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

每年的MRS會議，時(shí)間、地點(diǎn)不變，會議主辦方認(rèn)為5 000～6 000人的會議如果每年更換場地會產(chǎn)生很多問題和風(fēng)險(xiǎn)；繼承傳統(tǒng)模式，使得會議既保留了自己的特色，也使會議承辦方和參會者能夠輕松自如地應(yīng)對。波士頓這座文化古城將展會、賓館與商業(yè)區(qū)緊密聯(lián)結(jié)在一起，足以滿足如此眾多的分會安排及參會代表的飲食、住宿需求，確保每次秋季會議的圓滿召開。

2014年度MRS秋季會議12月初在波士頓市海因斯會議中心和喜來登酒店如期舉行。會議延續(xù)了往屆秋季會議甚至春季會議的特色，由A～Z和AA～ZZ 共51個(gè)分會組成，涵蓋了4大主題：能源材料、納米材料、光電材料和生物材料；除此之外，還包括每年必設(shè)的材料基礎(chǔ)研究方向的材料制備和表征等主題。

2 MRS會議主題

MRS 主席 Tia Benson Tolle

近兩年來，MRS會議所設(shè)定的4大主題內(nèi)容主要包括：生物材料和軟物質(zhì)主題軟材料的仿真驅(qū)動設(shè)計(jì)，指向和點(diǎn)擊合成——材料學(xué)中點(diǎn)擊化學(xué)的實(shí)現(xiàn)，生物和仿生材料的力學(xué)改性，仿生結(jié)構(gòu)材料工程和應(yīng)用，凝膠和自組裝聚合物系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，生物材料與有機(jī)電子的整合，組織工程中的先進(jìn)復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)，癌癥研究和治療中的多尺度材料，神經(jīng)修復(fù)材料，生物醫(yī)學(xué)器件材料的微型和納米級加工，再生工程生物功能材料，多功能神經(jīng)義肢界面材料等。電子和光子材料主題增強(qiáng)光電性能的光子和等離子材料，光電設(shè)備的大面積加工和仿造，功能發(fā)光和光敏有機(jī)軟材料，電子和光子無機(jī)混合料的溶液加工，有機(jī)微激光——從基本要素到設(shè)備應(yīng)用，氧化物半導(dǎo)體，金剛石半導(dǎo)體——由基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用，復(fù)合半導(dǎo)體材料及器件，磁性納米結(jié)構(gòu)與電子自旋功能材料中的晶格現(xiàn)象，使能材料——從科學(xué)到創(chuàng)新，連接器、新存儲和先進(jìn)的顯示技術(shù)用新材料和工藝，碳化硅——材料、工藝和器件，無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子的研究進(jìn)展及其應(yīng)用，微摻雜半導(dǎo)體光電子學(xué)，記憶、可重構(gòu)電子和認(rèn)知應(yīng)用的相變材料，新興的納米光子學(xué)材料與器件，非線性光學(xué)材料和工藝等。能源與可持續(xù)發(fā)展主題硅薄膜科學(xué)與技術(shù)，下一代無機(jī)薄膜光伏電池，有機(jī)和混合太陽能電池，可持續(xù)太陽能轉(zhuǎn)換，能源和環(huán)境催化納米材料，熱電材料——從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用，電網(wǎng)規(guī)模儲能材料及技術(shù)，核技術(shù)先進(jìn)材料，能源材料表征，表面/界面表征和可再生能源，染料敏化太陽能電池用有機(jī)和無機(jī)材料，半導(dǎo)體應(yīng)用有機(jī)和聚合物材料合成和加工，光電化學(xué)和光催化太陽捕獲和存儲用材料，控制能源應(yīng)用光與半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)之間的整合，薄膜光伏材料的缺陷工程，碳捕獲材料，氧化物薄膜處理和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄膜和塊狀氧化物——合成、表征與應(yīng)用，固體氧化物燃料電池的材料和界面，半導(dǎo)體表面的光活化化學(xué)和生化處理，電化學(xué)能量存儲材料的前沿研究——設(shè)計(jì)、合成、表征和建模，基于鋰離子電池的新能量存儲技術(shù)——從材料設(shè)計(jì)到系統(tǒng)集成，能量存儲和轉(zhuǎn)換力學(xué)——電池、熱電和燃料電池，先進(jìn)電池管理系統(tǒng)的材料、技術(shù)和傳感概念，柔性能源器件和系統(tǒng)的材料挑戰(zhàn)一體化戰(zhàn)略，錒-基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用和技術(shù)等。納米材主題大面積石墨烯和其他二維層狀材料——合成、屬性和應(yīng)用程序，半導(dǎo)體納米線和納米管——新型材料、先進(jìn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、添加和設(shè)備，納米復(fù)合材料的傳輸屬性，設(shè)計(jì)蜂窩材料——合成、建模、分析和應(yīng)用，自組織和納米尺度格局成形，微機(jī)電系統(tǒng)——材料和設(shè)備，彈性應(yīng)變工程材料屬性，在極端環(huán)境中的納米材料，納米金剛石的原理及應(yīng)用，通過取向連接和介晶形成的納米晶體的生長，納米粒子中尺度的自組裝——制造、官能化、組裝和集成，半導(dǎo)體納米線的合成、性能及應(yīng)用，磁性納米材料和納米結(jié)構(gòu)等。

回顧MRS會議近期3次會議的主題，筆者注意到，MRS會議的最大特點(diǎn)是越來越趨向于將納米材料、光電材料、生物材料和能源材料融為一體的新材料應(yīng)用，尤其是鹵化物鈣鈦礦薄膜電池、傳感器等熱點(diǎn)方向。

3 MRS大會報(bào)告

康寧公司David L Morse

有別于國內(nèi)相關(guān)材料會議，MRS 會議沒有開幕式，每次會議僅安排有一個(gè)大會報(bào)告，時(shí)間設(shè)在會議第二天晚上的18:30～19:30進(jìn)行。從2013年秋季會議、2014年春季會議和秋季會議3個(gè)大會報(bào)告的選題可以看出，MRS更強(qiáng)調(diào)材料的實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新。

回顧2013年MRS秋季會，康寧公司David L Morse作了“A Day Made of Glass——Vision Becoming Reality”的大會報(bào)告，描繪了一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的未來遠(yuǎn)景：觸控固定或便攜式顯示器，通過高帶寬的信息傳遞功能，將從根本上改善我們在生活、工作和娛樂等方方面面的體驗(yàn)。玻璃技術(shù)的進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)未來遠(yuǎn)景的關(guān)鍵，從高性能液晶顯示器玻璃到超硬、超薄、超輕的Corning?Gorilla?玻璃和柔性Corning?WillowTM玻璃基板，以極高的帶寬、低損耗的光纖和連接器提供有線和無線的應(yīng)用。報(bào)告討論了這些發(fā)展和技術(shù)軌跡。

波音公司John J Tracy

2014年MRS春季會議，波音公司John J Tracy作了題為“材料——推動航空發(fā)展的關(guān)鍵因素”的大會報(bào)告。報(bào)告中，John J Tracy坦誠他并不是一位材料科學(xué)家，但他是一個(gè)材料的終端用戶，尤其是他所在的波音公司。他的報(bào)告概述了航空航天工業(yè)簡史以及波音公司在全球航空航天領(lǐng)域的重要地位。他指出，自1980年起空中交通一直在以每年5%的速度穩(wěn)步增長，而今天全球約20 000架客機(jī)的規(guī)模有望在未來20年內(nèi)翻倍。自噴氣時(shí)代以來，燃油效率提高了70%，波音公司通過確保每一代飛機(jī)都比其前輩節(jié)能15%～20%。波音公司的目標(biāo)是在2020年達(dá)到碳的中性增長，也就是說，飛機(jī)排放的CO2等于1995年的水平，盡管空中交通規(guī)模將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于那一年。報(bào)告指出材料科學(xué)研究開始在航空界受到重視與20世紀(jì)30年代著名的巴黎圣母院足球教練Knute Rockne的死亡有關(guān)。之前的墜機(jī)事故被歸咎于惡劣的天氣。但是那次的失事是由于飛機(jī)不良的設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用。針對這一事件開展的調(diào)查，對全金屬飛機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求。航空工業(yè)此后在4個(gè)方面進(jìn)行了大幅提高：系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、材料和空氣動力?！霸诿恳粋€(gè)象限，材料都滲透到了這些改進(jìn)的方方面面”，John J Tracy說。報(bào)告指出，從20世紀(jì)40年代開始，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中開始發(fā)揮了巨大的作用，他們的貢獻(xiàn)不斷增加。波音787是第一架使用復(fù)合材料超過50%的飛機(jī)。它更輕、更耐用、不易疲勞、燃料效率比其前任更有效，達(dá)到20%。John J Tracy印象最深刻的就是材料科學(xué)對噴氣式發(fā)動機(jī)所做出的貢獻(xiàn)。最近，在引擎鼻錐(nose cones)中陶瓷基復(fù)合材料比以往航空標(biāo)準(zhǔn)中的鈦材允許更高的工作溫度，從而帶來更高的效率。為什么航空業(yè)采用新材料的發(fā)展需要這么長時(shí)間？因?yàn)樗麄儽仨氈?jǐn)慎確保每架飛機(jī)的可行性和安全性?！耙粋€(gè)新的材料系統(tǒng)必須努力獲得登上飛機(jī)的機(jī)會”，John J Tracy說?，F(xiàn)今飛機(jī)的許多部件都要經(jīng)過100 000次測試才可獲得批準(zhǔn)使用。目前正在使用更加復(fù)雜的計(jì)算方法來取代以往通過試驗(yàn)來驗(yàn)證新材料，物理測試在此過程中發(fā)揮著積極的作用。作為材料終端用戶，John J Tracy喜歡看到材料具有多種功能，如電氣、機(jī)械、導(dǎo)熱、吸聲和阻燃性能等，且易于人類制造。盡管他知道這些要求很多，但他確信材料科學(xué)界會接受這樣的挑戰(zhàn)?！拔蚁嘈盼覀儾艅倓傞_始利用先進(jìn)材料的優(yōu)良性能” John J Tracy如此推斷。

三星公司Hyuk Chang

2014年MRS秋季會議的大會報(bào)告由三星公司Hyuk Chang所作,題目為“電子材料中的創(chuàng)新”。Hyuk Chang首先回顧了以往普遍存在的從新材料到新產(chǎn)品的演變路徑:科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新材料→為它們的制備開發(fā)合成路線→開發(fā)這些材料的新功能→實(shí)現(xiàn)新的設(shè)備。他列舉了平板顯示設(shè)備在液晶(LC)方面的演變和移動設(shè)備在鋰金屬氧化物或有機(jī)電解液充電電池方面的演變。以前者為例，從其發(fā)現(xiàn)到第一個(gè)液晶顯示產(chǎn)品誕生，花費(fèi)了87年。報(bào)告指出，在目前這個(gè)數(shù)字和信息技術(shù)的時(shí)代，電子材料技術(shù)的創(chuàng)新落后于設(shè)備的革命，由于客戶對于新的功能的需求，設(shè)備產(chǎn)品的生命周期相比材料研發(fā)的生命周期變得越來越快。例如，佩戴式智能電子產(chǎn)品的需求對為其供電的電池材料提出了更高要求?，F(xiàn)在沒有新材料的協(xié)助，我們將無法面對這場電子產(chǎn)品性能的革命。

報(bào)告分享了三星公司從研究開始階段同步開展材料研究和設(shè)備研發(fā)的進(jìn)程，從而使設(shè)備性能要求得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了新材料和設(shè)備的同步提高。在這個(gè)進(jìn)程中，設(shè)計(jì)、樣機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)程也都是同步的，因此，一旦材料邁上一個(gè)新階段，很容易就進(jìn)入下一代電子產(chǎn)品的研究和開發(fā)中，最終促進(jìn)實(shí)用性材料的規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)推出新一代電子產(chǎn)品。他舉例說明了移動電子設(shè)備顯示屏以及電動汽車電池用材料的研發(fā)路線圖；列舉了三星公司先進(jìn)技術(shù)研究所在材料方面的研究成就，該所負(fù)責(zé)前沿研究和新技術(shù)的傳播。

4 MRS材料研究前沿分會(Ⅹ分會)

牛津大學(xué) Henry Snaith

2014年MRS秋季會議X分會——材料研究前沿分會是本次會議的又一個(gè)亮點(diǎn)。其它分會都分散于海因斯會議中心和喜來登酒店的各個(gè)分會場，只有X分會設(shè)置在喜來登酒店的大會議廳，如同大會報(bào)告特別安排在晚間18:30～19:30舉行一樣，X分會也特別設(shè)定在每天中午午餐時(shí)間召開，即滿足了更多學(xué)者的時(shí)間需求，同時(shí)也顯示出材料前沿分會的重要性。該分會每次僅安排一個(gè)報(bào)告，報(bào)告結(jié)束后，與會學(xué)者排隊(duì)提問，場面熱烈。本文分享了來自牛津大學(xué)的Henry Snaith博士與來自麻省理工的Angela Belcher博士2篇研究前沿報(bào)告。

麻省理工 Angela Belcher

Snaith博士的報(bào)告題目為“從納米結(jié)構(gòu)到鈣鈦礦型氧化物太陽能電池”。報(bào)告稱，他的研究在2012年以前并無涉及任何鈣鈦礦型氧化物，但涉及到一些重要原則，直到后來基于這些材料應(yīng)用于太陽能電池。他將染料敏化電池作為一個(gè)“技術(shù)平臺”，重點(diǎn)討論了鹵化物鈣鈦礦型氧化物太陽能電池。報(bào)告指出，最初的 CaTiO3鈣鈦礦型氧化物在1839年即被發(fā)現(xiàn)；但直到1959年才定義了它們的結(jié)構(gòu)；2006年第一個(gè)關(guān)于鈣鈦礦型氧化物太陽能電池的報(bào)道才出現(xiàn)。Snaith博士指出，解決實(shí)際問題對于新材料實(shí)際應(yīng)用已開始變得非常重要。例如鈣鈦礦型氧化物薄膜為棕色，不適宜作為大型建筑物的涂層；另外也需要保持穩(wěn)定的陽光、水和高溫。如果能夠給出相應(yīng)的解決方案，鈣鈦礦型氧化物薄膜太陽能電池將極具成本競爭力，因?yàn)樗纳a(chǎn)消耗能源較少，產(chǎn)生的廢料更少。Snaith博士在本屆MRS會議上被授予了杰出青年研究者獎(jiǎng)。

Angela Belcher的報(bào)告題目為“給予能源、環(huán)境和醫(yī)學(xué)材料新的生命力”。 報(bào)告指出，新型納米材料可以通過利用遺傳控制和仿生合成生長與組裝。其中的一個(gè)早期案例是有關(guān)基于病毒的金單晶納米線。報(bào)告介紹了在儲能領(lǐng)域中，其實(shí)驗(yàn)室使用M13病毒從地球上豐富的元素中生長和組裝了高效催化劑，該研究證明，生物工程可以加強(qiáng)電極的設(shè)計(jì)，提高鋰離子和鋰氧電池的特定容量和循環(huán)性能。Belcher的報(bào)告真正將金屬材料、生物材料、納米材料、電子材料、能源材料融合為了一體。

本次MRS材料研究前沿分會的另外2個(gè)報(bào)告是有關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)和先進(jìn)制造進(jìn)展和機(jī)遇的材料基因組計(jì)劃和二維材料科學(xué)中的石墨烯。再此之前的兩屆MRS會議中，X分會則涉及有關(guān)開放大數(shù)據(jù)材料研究和化學(xué)反應(yīng)中的原子作用等前沿研究領(lǐng)域。

5 近3次MRS會議中的獎(jiǎng)項(xiàng)專題講座

表1 2013年秋季會議、2014年春季會議、2014年秋季會議中的獎(jiǎng)項(xiàng)專題講座主要聚焦在了納米科學(xué)方向

6 MRS會議展覽

每屆MRS秋季會議的展覽都可以用規(guī)模宏大來形容，每次均吸引了270～280家參展商，除了出版集團(tuán)，如IOP， Springer， Cambridge， Oxford， World Scientific， Wiley， CRC Press等，還有更多的相關(guān)企業(yè)，有些企業(yè)堅(jiān)持20年參會，主要為了會見客戶、收集反饋信息并現(xiàn)場解答疑問。2014年MRS會議還包括招聘環(huán)節(jié)，除了林肯實(shí)驗(yàn)室等國際單位，國內(nèi)包括中科院寧波所、南京大學(xué)、上海交大、西北工業(yè)大學(xué)等高校也參與招聘活動，應(yīng)聘者更多地集中在能源電池等領(lǐng)域。MRS也致力于通過出版包含材料科學(xué)方面最新研究成果的《材料研究學(xué)會會議論文集》、《材料研究學(xué)會通報(bào)》、《材料研究期刊》等著名刊物以及其他專著、數(shù)據(jù)庫和影像資料來推動學(xué)術(shù)交流。其中《材料研究學(xué)會會議論文集》收錄了從20世紀(jì)80年代早期的所有美國材料研究學(xué)會的會議論文，詳細(xì)記錄了過去30年材料科學(xué)的發(fā)展。從2011年起MRS期刊及會議論文集通過劍橋大學(xué)出版社出版，全部內(nèi)容已上傳至劍橋期刊在線平臺。為了追蹤能源和可持續(xù)發(fā)展前沿研究，MRS主席Tia Benson Tolle教授特別強(qiáng)調(diào)了在每年MRSBulletin的第3期、第6期、第9期、第12 期中將分別推出Energy Quarterly主題。

7 結(jié) 語

近期，在以中國工程院周廉院士為大會主席的國內(nèi)系列新材料高層論壇上，周廉院士多次提及應(yīng)該將材料分為3大類：傳統(tǒng)材料，如銅、鋁、鋼、水泥等；關(guān)鍵材料，如具備特殊性能的功能材料和不可替代的稀缺資源；新材料，如生物、光電、能源和納米材料。而MRS會議關(guān)注的也都是這些新材料，如石墨烯及其氧化物薄膜、微納米孔道、有機(jī)/無機(jī)薄膜光伏電池、傳感器等。這些新材料的共同特征是能夠滿足人類健康、能源可持續(xù)發(fā)展的需求，利用模擬計(jì)算手段，融合納米技術(shù)，將光電材料、生物材料和能源材料融為一體的新的材料應(yīng)用，這也是未來材料發(fā)展的趨勢。(DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2014.12.06)